光催化材料ZnS的带隙调控和修饰及其性能研究

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随着生活中含有机物物质的广泛应用,如杀虫剂、染料、药物以及化妆品等途径的使用产生了大量的芳香族化合物。这些芳香族化合物通过食物链的堆积对人类健康和生态系统平衡都产生了很大的威胁。传统的光催化剂,如TiO2因其价格低廉、无毒无害和制备简单等优点而备受关注,但也由于TiO2只对紫外光响应而受到应用限制。因此,找到一种可见光驱动半导体光催化剂降解环境中的芳香族化合物显得尤为重要。可见光占太阳能总量的46%,为了充分利用太阳能以及提高光催化剂的光催化活性,很多致力于研究人员在探索无毒、可回收、性能优异的可见光光催化剂方面做出了许多努力。ZnS是一种n型半导体材料,由于其丰富的形貌、优良的物理性能以及独特的光催化性能引起了人们的广泛关注,但同时也由于其宽带隙限制了对可见光的利用效率。本文通过带隙工程控制半导体或复合材料的成分或晶体结构来改变ZnS的带隙,通过促进其光吸收性能,进而提高其可见光催化活性。具体研究内容如下:(1)采用一步溶剂热法通过调控Zn/Mo摩尔比制备带隙可调控的ZnS-MoS2固溶体可见光催化剂。在实验体系中,通过调节不同的Zn/Mo摩尔比,合成了不同带隙宽窄、比表面积大小、光催化活性高低的ZnS-MoS2固溶体。当Zn:Mo=30:1时,所合成的ZnS-MoS2固溶体可见光催化性能最佳,且经过四轮循环实验后ZnS-MoS2固溶体也表现出较好的稳定性。(2)为提高ZnS-MoS2固溶体对太阳能中的可见光的利用效率,在合成过程中引入石墨烯,通过一步溶剂热法制备了rGO/ZnS-MoS2复合材料。将所制备的复合材料通过降解邻硝基苯酚来探究其光催化性能,实验结果表明:当石墨烯的质量百分比为11%时,即11%rGO/ZnS-MoS2复合材料的催化性能最好。在可见光下,对2-NP的降解效率达90.57%,对实际制药废水的COD去除率达74.05%。(3)采用一步水热法调控Zn/In摩尔比制备带隙可调控的Zn1-xIn2x/3S固溶体可见光催化剂。经过对Zn/In原子比优化,Zn0.6In0.27S固溶体的光催化性能最佳,且对芳香族类化合物具有较好的降解效果。在可见光照射下,Zn0.6In0.27S固溶体对邻硝基苯酚、氯霉素、对硝基苯酚和头孢曲松钠的降解效率分别为97.10%、89.76%、96.01%和87.02%;在氯霉素、头孢曲松钠、2-NP和4-NP的最终降解液中可检测到NO3-的含量分别为0.619、0.667、2.912和1.703 mg/L;且氯霉素的最终降解液中还可检测到2.005 mg/L的Cl-。此外,这四种污染物的降解路径也通过液质联用进行分析预测。另外通过大肠杆菌的毒性实验表明Zn1-xIn2x/3S固溶体还有较好的生物解毒性。
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